Новый мощный детектор частиц успешно прошёл критическое испытание, нацеленное на расшифровку состава ранней Вселенной. Детектор sPHENIX — это новейший эксперимент в Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) Национальной лаборатории Брукхейвена и предназначен для точного измерения продуктов высокоскоростных столкновений частиц.
Из истории исследования
Учёные надеются, что по следам этих столкновений удастся реконструировать свойства кварк-глюонной плазмы (QGP) — раскалённого добела супа из субатомных частиц, известных как кварки и глюоны, которые, как считается, возникли в первые микросекунды после Большого взрыва.
Эта загадочная плазма быстро исчезла, охладилась и объединилась, образовав протоны и нейтроны, составляющие обычную материю сегодня.
Ключевые измерения детектора sPHENIX
Теперь детектор sPHENIX сделал ключевое измерение, которое доказывает, что он обладает точностью, необходимой для изучения свойств кварк-глюонной плазмы в её первозданном виде.
В статье, опубликованной в Journal of High Energy Physics, физики из Массачусетского технологического института (MIT) и другие учёные сообщают, что sPHENIX точно измерил количество и энергию частиц, которые вылетели из ионов золота, столкнувшихся со скоростью, близкой к световой.
Это измерение считается в физике «стандартной свечой», то есть хорошо установленной константой, которая может быть использована для оценки точности детектора.
В частности, sPHENIX успешно измерил количество заряженных частиц, которые образуются при столкновении двух ионов золота, и определил, как это число меняется при лобовом столкновении ионов по сравнению со столкновением под углом. Измерения детектора показали, что лобовые столкновения порождают в 10 раз больше заряженных частиц, которые также в 10 раз более энергичны по сравнению с менее прямыми столкновениями.
«Это указывает на то, что детектор работает как надо», — говорит Гюнтер Роланд, профессор физики в MIT, который является членом и бывшим представителем коллаборации sPHENIX. «Это как если бы вы отправили новый телескоп в космос после того, как потратили на его создание 10 лет, и он сделал первый снимок. Это не обязательно снимок чего-то совершенно нового, но это доказывает, что он теперь готов начать заниматься новой наукой».
«Имея такую прочную основу, sPHENIX имеет все возможности для того, чтобы продвинуть изучение кварк-глюонной плазмы с большей точностью и улучшенным разрешением», — добавляет Хао-Рен Жен, аспирант физического факультета MIT и ведущий соавтор новой статьи. «Исследование эволюции, структуры и свойств QGP поможет нам реконструировать условия ранней Вселенной».
Коллаборация sPHENIX
Соавторами статьи являются все члены коллаборации sPHENIX, в которую входят более 300 учёных из разных институтов по всему миру, включая Роланда, Жена и физиков из Исследовательского и инженерного центра Бейтса MIT.
Принцип работы коллайдеров частиц
Коллайдеры частиц, такие как RHIC в Брукхейвене, предназначены для ускорения частиц до «релятивистских» скоростей, то есть близких к скорости света. Когда эти частицы разгоняются в противоположных циркулирующих лучах и сводятся вместе, при столкновении может высвободиться огромное количество энергии. В правильных условиях эта энергия может очень кратко существовать в форме кварк-глюонной плазмы — того же вещества, которое возникло в результате Большого взрыва.
Как и в ранней Вселенной, кварк-глюонная плазма в коллайдерах частиц существует недолго. Если QGP образуется, то существует всего $10^{-22}$ секунды, или около секстиллионной доли секунды.
В этот момент кварк-глюонная плазма невероятно горяча, до нескольких триллионов градусов Цельсия, и ведёт себя как «идеальная жидкость», двигаясь как единое целое, а не как совокупность случайных частиц. Почти сразу это экзотическое поведение исчезает, и плазма охлаждается, переходя в более обычные частицы, такие как протоны и нейтроны, которые вылетают из основного столкновения.
«Вы никогда не увидите саму QGP — вы просто видите её «пепел», если можно так выразиться, в виде частиц, которые образуются при её распаде», — говорит Роланд. «С помощью sPHENIX мы хотим измерить эти частицы, чтобы реконструировать свойства QGP, которая практически мгновенно исчезает».
Детектор sPHENIX: новое поколение
Детектор sPHENIX — это новое поколение оригинального эксперимента Брукхейвена по изучению ядерных взаимодействий при высоких энергиях, или PHENIX, который измерял столкновения тяжёлых ионов, генерируемых RHIC. В 2021 году sPHENIX был установлен вместо своего предшественника как более быстрая и мощная версия, предназначенная для обнаружения более тонких и эфемерных сигнатур кварк-глюонной плазмы.
Сам детектор размером с двухэтажный дом и весит около 1000 тонн. Он расположен на пересечении двух основных коллайдерных лучей RHIC, где релятивистские частицы, ускоренные с противоположных направлений, встречаются и сталкиваются, производя частицы, которые летят в детектор.
Детектор sPHENIX способен фиксировать и измерять 15 000 столкновений частиц в секунду благодаря своим новым многослойным компонентам, включая MVTX, или микровершину — субдетектор, который был разработан, построен и установлен учёными из Исследовательского и инженерного центра Бейтса MIT.
Вместе системы детектора позволяют sPHENIX действовать как гигантская трёхмерная камера, которая может отслеживать количество, энергию и пути отдельных частиц во время взрыва частиц, генерируемых одним столкновением.
«SPHENIX использует достижения в области детекторных технологий с тех пор, как RHIC был запущен 25 лет назад, чтобы собирать данные с максимально возможной скоростью», — говорит постдок MIT Кэмерон Дин, который внёс основной вклад в анализ нового исследования. «Это позволяет нам впервые исследовать невероятно редкие процессы».
Осенью 2024 года учёные провели тестирование детектора с помощью «стандартной свечи», чтобы оценить его скорость и точность. В течение трёх недель они собирали данные с sPHENIX, пока основной коллайдер ускорял и сталкивал пучки ионов золота, движущихся со скоростью света.
Их анализ данных показал, что sPHENIX точно измерил количество заряженных частиц, образовавшихся при отдельных столкновениях ионов золота, а также энергию частиц. Более того, детектор был чувствителен к «лобовости» столкновения и мог наблюдать, что лобовые столкновения порождали больше частиц с большей энергией по сравнению с менее прямыми столкновениями.
«Это измерение является чётким доказательством того, что детектор функционирует в соответствии с замыслом», — говорит Жен. «Веселье для sPHENIX только начинается», — добавляет Дин. «Мы сейчас снова сталкиваем частицы и планируем делать это ещё несколько месяцев. Собрав все данные, мы сможем искать один на миллиард редких процессов, которые могут дать нам представление о таких вещах, как плотность QGP, диффузия частиц через сверхплотную материю и количество энергии, необходимое для связывания различных частиц вместе».
published in the Journal of High Energy Physics, scientists including physicists at MIT report that sPHENIX precisely measured the number and energy of particles that streamed out from gold ions that collided at close to the speed of light.”,”This test is considered in physics to be a \”standard candle,\” meaning that the measurement is a well-established constant that can be used to gauge a detector’s precision.”,”In particular, sPHENIX successfully measured the number of charged particles that are produced when two gold ions collide, and determined how this number changes when the ions collide head-on, versus just glancing by. The detector’s measurements revealed that head-on collisions produced 10 times more charged particles, which were also 10 times more energetic, compared to less straight-on collisions.”,”\”This indicates the detector works as it should,\” says Gunther Roland, professor of physics at MIT, who is a member and former spokesperson for the sPHENIX Collaboration. \”It’s as if you sent a new telescope up in space after you’ve spent 10 years building it, and it snaps the first picture. It’s not necessarily a picture of something completely new, but it proves that it’s now ready to start doing new science.\””,”\”With this strong foundation, sPHENIX is well-positioned to advance the study of the quark-gluon plasma with greater precision and improved resolution,\” adds Hao-Ren Jheng, a graduate student in physics at MIT and a lead co-author of the new paper. \”Probing the evolution, structure, and properties of the QGP will help us reconstruct the conditions of the early universe.\””,”The paper’s co-authors are all members of the sPHENIX Collaboration, which comprises more than 300 scientists from multiple institutions around the world, including Roland, Jheng, and physicists at MIT’s Bates Research and Engineering Center.”,”Particle colliders such as Brookhaven’s RHIC are designed to accelerate particles at \”relativistic\” speeds, meaning close to the speed of light. When these particles are flung around in opposite, circulating beams and brought back together, any smash-ups that occur can release an enormous amount of energy. In the right conditions, this energy can very briefly exist in the form of quark-gluon plasma—the same stuff that sprang out of the Big Bang.”,”Just as in the early universe, quark-gluon plasma doesn’t hang around for very long in particle colliders. If and when QGP is produced, it exists for just 10-22, or about a sextillionth of a second.”,”In this moment, quark-gluon plasma is incredibly hot, up to several trillion degrees Celsius, and behaves as a \”perfect fluid,\” moving as one entity rather than as a collection of random particles. Almost immediately, this exotic behavior disappears, and the plasma cools and transitions into more ordinary particles such as protons and neutrons, which stream out from the main collision.”,”\”You never see the QGP itself—you just see its ashes, so to speak, in the form of the particles that come from its decay,\” Roland says. \”With sPHENIX, we want to measure these particles to reconstruct the properties of the QGP, which is essentially gone in an instant.\””,”The sPHENIX detector is the next generation of Brookhaven’s original Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment, or PHENIX, which measured collisions of heavy ions generated by RHIC. In 2021, sPHENIX was installed in place of its predecessor, as a faster and more powerful version, designed to detect quark-gluon plasma’s more subtle and ephemeral signatures.”,”The detector itself is about the size of a two-story house and weighs about 1,000 tons. It sits at the intersection of RHIC’s two main collider beams, where relativistic particles, accelerated from opposite directions, meet and collide, producing particles that fly out into the detector.”,”The sPHENIX detector is able to catch and measure 15,000 particle collisions per second, thanks to its novel, layered components, including the MVTX, or micro-vertex—a subdetector that was designed, built, and installed by scientists at MIT’s Bates Research and Engineering Center.”,”Together, the detector’s systems enable sPHENIX to act as a giant 3D camera that can track the number, energy, and paths of individual particles during an explosion of particles generated by a single collision.”,”\”SPHENIX takes advantage of developments in detector technology since RHIC switched on 25 years ago, to collect data at the fastest possible rate,\” says MIT postdoc Cameron Dean, who was a main contributor to the new study’s analysis. \”This allows us to probe incredibly rare processes for the first time.\””,”In the fall of 2024, scientists ran the detector through the \”standard candle\” test to gauge its speed and precision. Over three weeks, they gathered data from sPHENIX as the main collider accelerated and smashed together beams of gold ions traveling at the speed of light.”,”Their analysis of the data showed that sPHENIX accurately measured the number of charged particles produced in individual gold ion collisions, as well as the particles’ energies. What’s more, the detector was sensitive to a collision’s \”head-on-ness,\” and could observe that head-on collisions produced more particles with greater energy, compared to less direct collisions.”,”\”This measurement provides clear evidence that the detector is functioning as intended,\” Jheng says.”,”\”The fun for sPHENIX is just beginning,\” Dean adds. \”We are currently back colliding particles and expect to do so for several more months. With all our data, we can look for the one-in-a-billion rare process that could give us insights on things like the density of QGP, the diffusion of particles through ultra-dense matter, and how much energy it takes to bind different particles together.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tMassachusetts Institute of Technology\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t “,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник